JP2008281403A - Shear force detector and object-holding system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology for high-accuracy detection of shear force from an object, over a wide area and which has high productivity. <P>SOLUTION: A shear force detector 201 arranges a plurality of shear force detecting units 202 on the same face. In the shear force detector 201, the shear force detecting unit 202 includes a deformation member, deformed by receiving shear force from the object respectively. In addition, the shear force detecting unit includes a strain sensor of a cantilever shape, provided to be strained by receiving the shear force from the object in the inside of the deformation member. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、物体から加えられた剪断力を検出する剪断力検出装置及びそれを利用した物体把持システムに関する。   The present invention relates to a shearing force detection device that detects a shearing force applied from an object and an object gripping system using the same.

従来から、複数の片持ち梁形状の歪センサを1つの弾性部材の内部に備える、剪断力センサが知られている(特許文献1参照)。このような剪断力センサは、基本的に、物体を把持するロボットのハンドの、把持対象物体との接触面に取り付けることを前提として開発されたものである。そして、ハンドが物体から受ける剪断力を検出することにより、ハンドが物体を落とさずに把持するのに必要な最低限の把持力(物体を挟みこむ力)を求めることができる。   2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a shear force sensor including a plurality of cantilever-shaped strain sensors in one elastic member (see Patent Document 1). Such a shear force sensor is basically developed on the premise that it is attached to a contact surface of a robot hand that grips an object with the object to be gripped. Then, by detecting the shearing force that the hand receives from the object, the minimum gripping force (the force that pinches the object) necessary for the hand to grip without dropping the object can be obtained.

特開2006−208248号公報JP 2006-208248 A

しかし、特許文献1の図1に示されているように、従来の技術では、広い面積において物体からの剪断力を検出しようとする場合、多くの片持ち梁形状の感応部が1つの大きな弾性部材に対して埋め込まれるように構成していた。その場合、複数の感応部のすべてが同じ性能を持って機能するように製造するのは非常に困難であり、製造上の負担が大きかった。剪断力を検出する面積を変えようとすると、その面積に応じた感応部を持つよう作り直す必要があり、やはり製造上の負担が大きかった。   However, as shown in FIG. 1 of Patent Document 1, in the conventional technique, when a shearing force from an object is to be detected in a large area, many cantilever-shaped sensitive portions have one large elasticity. It was comprised so that it might be embedded with respect to a member. In that case, it was very difficult to manufacture so that all of the plurality of sensitive parts function with the same performance, and the manufacturing burden was large. When trying to change the area for detecting the shearing force, it was necessary to re-create the sensitive part according to the area, and the manufacturing burden was still large.

また、1つの弾性部材の内部に複数の感応部を含む構成にすると、広い面積の1点に加えられた剪断力が非常に多数の感応部に作用してしまうため、各点において加えられる剪断力を正確に求めることが困難で、誤差が大きかった。さらには、多数の感応部からの出力を処理するための、明確な指針がなかった。   In addition, if a configuration including a plurality of sensitive parts inside one elastic member, the shearing force applied to one point in a large area acts on a large number of sensitive parts, so the shear applied at each point It was difficult to determine the force accurately, and the error was large. Furthermore, there was no clear guideline for processing the output from many sensitive parts.

本発明は上記従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、生産性が高く、かつ、物体からの剪断力を広い面積で高精度に検出する技術を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a technique for detecting the shearing force from an object over a wide area with high accuracy and high productivity. There is.

上記目的を達成するため、本発明に係る装置は、
複数の剪断力検出ユニットを同一面上に配置した剪断力検出装置であって、
前記剪断力検出ユニットは、それぞれ、
物体から剪断力を受けて変形する変形部材と、
該変形部材の内部において、前記物体からの剪断力を受けて歪むように設けられた片持ち梁形状の歪センサと、
を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, an apparatus according to the present invention provides:
A shear force detection device in which a plurality of shear force detection units are arranged on the same surface,
Each of the shear force detection units is
A deformable member that is deformed by receiving a shearing force from an object;
Inside the deformable member, a cantilever-shaped strain sensor provided so as to be distorted by receiving a shearing force from the object;
It is characterized by providing.

前記歪センサは、単一の変形軸に沿って変形することによって、該変形軸方向の剪断力を検知する構造を有し、
前記剪断力検出ユニットは、それぞれ、変形軸が互いに平行でない少なくとも2つの前記歪センサを含むことを特徴とする。
The strain sensor has a structure for detecting a shear force in the direction of the deformation axis by being deformed along a single deformation axis.
Each of the shear force detection units includes at least two strain sensors whose deformation axes are not parallel to each other.

少なくとも2つの前記剪断力検出ユニットが検出した剪断力から、前記物体の重心位置を算出する算出手段をさらに備えたことを特徴とする。
前記剪断力検出ユニットは、変形軸が互いに平行でかつ変形軸が異なる2つの前記歪センサを含み、
該2つの歪センサからの出力に基づいて、前記剪断力検出ユニットに加えられたモーメントを算出する算出手段を更に備えたことを特徴とする。
It is further characterized by further comprising calculation means for calculating the position of the center of gravity of the object from the shear force detected by at least two of the shear force detection units.
The shear force detection unit includes the two strain sensors whose deformation axes are parallel to each other and whose deformation axes are different from each other,
The apparatus further comprises a calculating means for calculating a moment applied to the shearing force detection unit based on outputs from the two strain sensors.

前記剪断力検出ユニットは、変形軸が異なりかつ1点で交わらない3つの歪センサを含み、
前記3つの歪センサの出力に基づいて、前記剪断力検出ユニットに加えられた2軸方向の剪断力とモーメントを算出し、算出した剪断力とモーメントを用いて、前記剪断力検出ユニットに接触している物体の重心位置を算出する算出手段を更に備えたことを特徴とする。
The shear force detection unit includes three strain sensors having different deformation axes and not intersecting at one point,
Based on the outputs of the three strain sensors, a biaxial shear force and moment applied to the shear force detection unit are calculated, and the calculated shear force and moment are used to contact the shear force detection unit. It is further characterized by further comprising a calculation means for calculating the position of the center of gravity of the moving object.

物体が少なくとも2つの前記剪断力検出ユニットに接触している場合、該少なくとも2つの剪断力検出ユニットが検出した剪断力を用いて、前記物体の重心位置を算出する算出手段を更に備えたことを特徴とする。   When an object is in contact with at least two of the shearing force detection units, the apparatus further comprises a calculation means for calculating the position of the center of gravity of the object using the shearing force detected by the at least two shearing force detection units. Features.

前記剪断力検出ユニットにおける物体との接触面が凸状に湾曲していることを特徴とする。   The contact surface with the object in the shearing force detection unit is curved in a convex shape.

前記剪断力検出ユニットは、前記物体からの圧力を検出する圧力センサを更に有することを特徴とする。   The shearing force detection unit further includes a pressure sensor that detects pressure from the object.

上記剪断力検出装置を、物体を把持するハンドの把持面上に備えた物体把持システムであって、
前記変形部材は、前記把持面に沿った剪断力を前記物体から受けて変形し、
前記歪センサは、前記変形部材の内部において、前記剪断力を受けて歪むことを特徴とする。
An object gripping system comprising the shearing force detection device on a gripping surface of a hand gripping an object,
The deformable member is deformed by receiving a shearing force along the gripping surface from the object,
The strain sensor is distorted by receiving the shearing force inside the deformable member.

前記把持面において、複数の前記剪断力検出ユニットを互いに離間させて配置したことを特徴とする。   A plurality of the shearing force detection units are arranged apart from each other on the gripping surface.

前記剪断力検出装置は、物体を把持するハンドの2つの把持面のうち、何れか一方に設けられることを特徴とする。   The shear force detection device is provided on any one of two gripping surfaces of a hand that grips an object.

本発明によれば、生産性が高く、かつ、物体からの剪断力を広い面積で高精度に検出する技術を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, productivity is high and the technique which detects the shearing force from an object with a high area with high precision can be provided.

以下に、図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。   Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the constituent elements described in this embodiment are merely examples, and are not intended to limit the scope of the present invention only to them.

<前提>
人間は物体を把持する際、視覚及び触覚情報をフィードバックして安定した把持を実現している。近年、ヒューマノイドロボットなどにも人間と同様に安定した把持が求められている。その際、物体の重心を把持することが必要となる。視覚情報のみを用いた場合、把持する物体の密度が均一でないと重心位置を検出することができない。このため、触覚情報を用いて重心位置を検出することが必要である。また、人間と同様に安定した把持を行うには、ハンドに分布したセンサを用いることが求められている。
<Premise>
When a human grasps an object, the visual and tactile information is fed back to realize a stable grasp. In recent years, humanoid robots and the like have been required to have a stable grip like humans. At that time, it is necessary to grasp the center of gravity of the object. When only visual information is used, the center-of-gravity position cannot be detected unless the density of the gripped object is uniform. For this reason, it is necessary to detect the position of the center of gravity using tactile information. In addition, in order to perform stable gripping like a human being, it is required to use sensors distributed in the hand.

そこで本実施形態は、図1に示すように、アーム101を有するロボットがハンド102で物体103を把持する際に、把持する物体の重さや密度分布などの情報を有さなくても、確実且つ安定した把持を実現するためのものである。特に、視覚的な情報無しに最適な把持位置を探るためには、物体を把持しながらその重心位置を検出することが必要である。そこで、本実施形態では、把持した物体の重量とモーメントを導き、把持点から重心までの距離を求める。具体的には、物体を把持するハンド102の把持面104に、剪断力、モーメント、把持力を算出可能なセンサアレイを設ける。このようなセンサアレイは、物体に触れた感覚を検出するセンサとも言えるので、触覚センサとも呼ばれる。センサアレイとそれを制御する制御ユニットとは剪断力検出装置として機能する。   Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, when the robot having the arm 101 grips the object 103 with the hand 102, it is possible to reliably and without having information such as the weight and density distribution of the object to be gripped. This is for realizing stable gripping. In particular, in order to find an optimal grip position without visual information, it is necessary to detect the center of gravity position while gripping an object. Therefore, in this embodiment, the weight and moment of the grasped object are derived, and the distance from the grasp point to the center of gravity is obtained. Specifically, a sensor array capable of calculating shearing force, moment, and gripping force is provided on the gripping surface 104 of the hand 102 that grips an object. Since such a sensor array can be said to be a sensor that detects a sense of touching an object, it is also called a tactile sensor. The sensor array and the control unit that controls the sensor array function as a shearing force detection device.

なお、図1は、物体を把持するアームを単純化して示した図であり、本発明を適用できる物体把持システムはこのようなアームに限定されるものではない。特にハンドについては、人間の手のように複数本の指を有し、その各指にセンサアレイを設けた構成がより望ましい。その場合、小さな物体であればハンドの2本の指で、その物体を把持し、大きな物体であればハンドの3本以上の指で把持するなど、判断させてもよい。さらに大きな物体であれば、複数のアームを用いて把持しても良い。逆に、最も単純な構成としては、図1のような平面的な把持面の少なくとも一方にセンサアレイを設ければよい。   FIG. 1 is a diagram showing a simplified arm for gripping an object, and an object gripping system to which the present invention can be applied is not limited to such an arm. In particular, for a hand, a configuration in which a plurality of fingers are provided like a human hand and a sensor array is provided on each finger is more desirable. In this case, the determination may be made by holding the object with two fingers of the hand if it is a small object and holding it with three or more fingers of the hand if it is a large object. If the object is larger, it may be gripped using a plurality of arms. Conversely, as the simplest configuration, a sensor array may be provided on at least one of the planar gripping surfaces as shown in FIG.

<センサアレイの構成>
図2を用いて本実施形態に係るセンサアレイの詳しい構成について説明する。図2は、物体との接触面が上になるようにセンサアレイを表わした概略図である。
<Configuration of sensor array>
A detailed configuration of the sensor array according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram showing the sensor array so that the contact surface with the object is on the top.

センサアレイは、剪断力検出ユニットとしてのセンサユニットを、同一面上に複数配置した装置であり、本実施形態においては、各々のセンサユニットは略矩形であって、それらをマトリクス状に(縦横に)配列させている。図2において、1つのセンサユニット201のみについては、内部構成を透過させて示しているが、他のセンサユニットも同様の構成を内部に有している。また、図2では、センサユニットを3×3に並べたマトリクスセンサを表わしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、より多くのセンサユニットを並べても良いし、同心円状や渦巻き状など、他の並べ方によってセンサユニットを配置しても良い。各々のセンサユニットは、所定の間隙を持ちつつ離間しており、他のセンサユニットの変形の影響を受けない構成となっている。このセンサアレイは、平面上に限らず、曲面上に配置してもよい。   The sensor array is a device in which a plurality of sensor units as shear force detection units are arranged on the same surface. In the present embodiment, each sensor unit is substantially rectangular and is arranged in a matrix (vertically and horizontally). ) Arrange. In FIG. 2, only one sensor unit 201 is shown through the internal configuration, but the other sensor units also have the same configuration inside. Further, FIG. 2 shows a matrix sensor in which sensor units are arranged in 3 × 3, but the present invention is not limited to this, and more sensor units may be arranged, concentric or spiral. You may arrange | position a sensor unit by other arrangement methods, such as a shape. Each sensor unit is separated with a predetermined gap, and is not affected by deformation of other sensor units. This sensor array is not limited to a flat surface but may be disposed on a curved surface.

<センサユニットの構成>
図3は、図2のセンサユニット201を拡大した図である。センサアレイに含まれるセンサユニットは、それぞれ、物体から剪断力を受けて変形する変形部材301を含み、更に、変形部材301の内部において、物体から変形部材301を介して受けた剪断力によって歪む片持ち梁形状の歪センサ(以下、カンチレバーとも言う)を複数備える。言い換えれば、変形部材は、把持面に沿った剪断力を物体から受けて変形し、歪センサは、変形部材の内部において、剪断力を受けて歪む。それぞれ歪センサは、単一の変形軸に沿って変形することによって、変形軸方向の剪断力を検知する構造を有する。センサユニットは、それぞれ、変形軸の異なる少なくとも2つの歪センサを含む。
<Configuration of sensor unit>
FIG. 3 is an enlarged view of the sensor unit 201 of FIG. Each of the sensor units included in the sensor array includes a deformable member 301 that is deformed by receiving a shearing force from the object, and further, a piece that is distorted by the shearing force received from the object via the deformable member 301 inside the deformable member 301. A plurality of cantilever-shaped strain sensors (hereinafter also referred to as cantilevers) are provided. In other words, the deforming member is deformed by receiving a shearing force along the gripping surface from the object, and the strain sensor is distorted by receiving the shearing force inside the deforming member. Each strain sensor has a structure for detecting a shear force in the direction of the deformation axis by being deformed along a single deformation axis. Each sensor unit includes at least two strain sensors having different deformation axes.

センサユニットにおける物体との接触面は凸状に湾曲していることが望ましい。例えば、センサの中央表面に凸形状の突起をつければ、物体がセンサの中心に接触するため、剪断力、モーメント、圧力を正確に測れるようになり、より正確に重心位置を測定できる。突起や凸状の湾曲部は変形部材と同じ部材であることが望ましい。また、図では、矩形の変形部材を表わしているが、変形部材は、ドーム状(半球状)でも良い。   It is desirable that the contact surface of the sensor unit with the object is curved in a convex shape. For example, if a convex protrusion is formed on the center surface of the sensor, the object comes into contact with the center of the sensor, so that the shearing force, moment, and pressure can be measured accurately, and the position of the center of gravity can be measured more accurately. It is desirable that the protrusion and the convex curved portion be the same member as the deformable member. Moreover, although the rectangular deformation member is represented in the figure, the deformation member may be dome-shaped (hemispherical).

本実施形態では、歪センサとして、歪みゲージ302bを表面に貼付したリン青銅製の平板302aを用いている。歪みゲージ302bは、物体に発生する微小な伸び縮みを電気抵抗値に変換するセンサである。歪みゲージ302bの内部にある金属抵抗体は、伸びにより断面積が減るとともに長さが長くなるため抵抗値が増える。   In this embodiment, a phosphor bronze flat plate 302a having a strain gauge 302b attached to the surface is used as the strain sensor. The strain gauge 302b is a sensor that converts a minute expansion / contraction generated in an object into an electric resistance value. The resistance value of the metal resistor inside the strain gauge 302b increases because the cross-sectional area decreases and the length increases due to elongation.

図3では、その平板をカンチレバーとして垂直方向に立てた歪センサ302〜305を上方から見て十字を描くように4つ配置し、更に水平方向に寝かせた歪センサ306を4つの歪センサ302〜305の中央に配置している。歪センサ306は、物体からの圧力(把持力の反力)を検出する圧力センサとして機能する。   In FIG. 3, four strain sensors 302 to 305 standing in the vertical direction using the flat plate as a cantilever are arranged so as to draw a cross when viewed from above, and further, the strain sensors 306 laid in the horizontal direction are arranged to the four strain sensors 302 to 305. It is arranged at the center of 305. The strain sensor 306 functions as a pressure sensor that detects pressure from the object (reaction force of gripping force).

これらの歪センサはpolydimethylsiloxane(PDMS)製の変形部材301に埋め込まれている。水平方向に寝かせた歪センサ306の下方には、穴307が設けられており、歪センサ306が下方に撓むことが可能な構成となっている。平板の根元が最も歪みが大きいため、平板の根本に歪みゲージを貼ることで、効率良く歪みを検出することができる。   These strain sensors are embedded in a deformable member 301 made of polydimethylsiloxane (PDMS). A hole 307 is provided below the strain sensor 306 laid in the horizontal direction, and the strain sensor 306 can be bent downward. Since the base of the flat plate has the largest strain, the strain can be detected efficiently by attaching a strain gauge to the base of the flat plate.

なお、歪センサとしては、歪みゲージ以外にも様々な構成を採用することが可能であり、例えば、Micro-Electro-Mechanical Systems(MEMS)技術により、歪みゲージを貼付した平板の代わりにシリコンピエゾカンチレバー等を用いれば、全体のセンサユニットをより微小化することが可能である(特開2006−208248号公報参照)。また、水平方向に寝かせた歪センサ306は、片持ち梁形状である必要はなく、両端支持梁形状であっても良い。   In addition to the strain gauge, various configurations can be adopted as the strain sensor. For example, by using Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) technology, a silicon piezo cantilever instead of a flat plate with a strain gauge attached. Etc., the overall sensor unit can be further miniaturized (see JP-A-2006-208248). Further, the strain sensor 306 laid down in the horizontal direction does not need to be in the form of a cantilever beam, and may be in the shape of a support beam on both ends.

歪センサの変形軸は、その軸の方向の剪断力あるいは圧力を、最も感度良く検出できる軸であり、歪センサの面に垂直な方向で代表される。たとえば図3では、変形部材301の上面に力が加わるのであるから、歪センサ302の変形軸は変形部材301の上面で歪センサ302の直上のy方向、歪センサ303の変形軸は変形部材301の上面で歪センサ303の直上のx方向となる。歪センサ306の変形軸は、z方向で概略歪センサ306の中央を貫く軸となる。   The deformation axis of the strain sensor is an axis that can detect the shear force or pressure in the direction of the axis with the highest sensitivity, and is represented by a direction perpendicular to the plane of the strain sensor. For example, in FIG. 3, since force is applied to the upper surface of the deformation member 301, the deformation axis of the strain sensor 302 is the y direction directly above the strain sensor 302 on the upper surface of the deformation member 301, and the deformation axis of the strain sensor 303 is the deformation member 301. Is the x direction directly above the strain sensor 303. The deformation axis of the strain sensor 306 is an axis that penetrates the center of the approximate strain sensor 306 in the z direction.

ここで、図3におけるx、y軸方向の剪断力、およびz軸回りのモーメントの3つの力成分を求めることが重要である。そのためには、これら3つの力成分に対して、線形独立な3つの出力が得られるように配置した、3つの歪センサを備える必要がある。この場合の線形独立な3つの出力を得るためには、x軸方向、あるいはy軸方向の剪断力を検出する歪センサを、その変形軸が1点で交わらないことが必要である。変形軸が1点で交わる場合には、その点回りのモーメントの検出ができなくなるからである。3つの力成分すべてを検出する必要がない場合は、歪センサの数を減らすこともできる。   Here, it is important to obtain the three force components of the shearing force in the x and y axis directions and the moment around the z axis in FIG. For this purpose, it is necessary to provide three strain sensors arranged so as to obtain three linearly independent outputs for these three force components. In order to obtain three linearly independent outputs in this case, it is necessary that the deformation axes of the strain sensors that detect the shear force in the x-axis direction or the y-axis direction do not intersect at one point. This is because when the deformation axes intersect at one point, the moment around that point cannot be detected. If it is not necessary to detect all three force components, the number of strain sensors can be reduced.

図3に示した実施形態では、剪断力を検出する歪センサ302〜305を、上方から見て十字を描くように4つ配置してある。x、y軸方向の剪断力、およびz軸回りのモーメントの3つの力成分を求めるためには、歪センサが一つ余分であるが、このように4つ配置すれば簡単な演算で3つの力成分を求めることができる。また図3の構成であれば、これら4つの歪センサのうち、変形軸が1点で交わらない3つの歪センサを選択することができる。   In the embodiment shown in FIG. 3, four strain sensors 302 to 305 that detect shear force are arranged so as to draw a cross when viewed from above. In order to obtain three force components of the shear force in the x and y axis directions and the moment around the z axis, one extra strain sensor is needed. The force component can be determined. In the configuration of FIG. 3, among these four strain sensors, three strain sensors whose deformation axes do not intersect at one point can be selected.

また3つの力成分のすべてを検出する必要がない場合、たとえば図3に示した実施形態で歪センサ303、305の2つを用いた場合、x軸方向の剪断力、およびz軸回りのモーメントの2つの力成分を求めることができる。   When it is not necessary to detect all three force components, for example, when two strain sensors 303 and 305 are used in the embodiment shown in FIG. 3, the shearing force in the x-axis direction and the moment about the z-axis These two force components can be obtained.

なおここでは、変形部材として、PDMSといった弾性体を用いているが、本発明はこれに限定されるものではない。重要なことは、変形部材が、物体からの力を部分的に吸収し、片持ち梁形状の歪センサが壊れない程度の力を、そのセンサに伝えることである。また、変形部材は、物体からの力のうち、センサに伝える力の割合が予め予測できる部材であることが必要である。つまり、センサが検知した力を用いて、物体がユニット全体に加えた力を導き出せることが重要である。   Here, an elastic body such as PDMS is used as the deformable member, but the present invention is not limited to this. What is important is that the deformable member partially absorbs the force from the object, and transmits the force to the sensor so that the cantilever-shaped strain sensor does not break. In addition, the deformable member needs to be a member that can predict in advance the ratio of the force transmitted to the sensor out of the force from the object. In other words, it is important that the force applied by the object to the entire unit can be derived using the force detected by the sensor.

また、センサを壊さずに、広いレンジで剪断力を検知するためには、物体から小さな力が加わった場合には、その力をできるだけ吸収せずに(高弾性率で)センサに伝え、物体から大きな力が加わった場合には、その力を大きく吸収して(低弾性率で)、小さい力のみセンサに伝えることが望ましい。つまり、大きな力が加わった場合に、歪センサに対して壊れない程度の力にまで減衰させて伝えるが、小さな力が加わった場合には、できるだけ減衰させずに歪センサに力を伝える構成が望ましい。このような構成を実現するため、例えば、変形部材を2相構造としても良い。すなわち、物体との接触面は、比較的剛性の高い、高弾性率の部材を用いて、歪センサの周囲にのみ、剛性の低い、低弾性率の部材を用いてもよい。その場合、全ての歪センサの周囲において、低弾性率の部材を一定の厚みになるように設ければ、物体との接触点と、歪センサとの距離によらずに正確に剪断力を検知することが可能となる。   Also, in order to detect shear force over a wide range without breaking the sensor, when a small force is applied from the object, it is transmitted to the sensor (with high elastic modulus) without absorbing that force as much as possible. When a large force is applied, it is desirable to absorb a large amount of force (with a low elastic modulus) and transmit only a small force to the sensor. In other words, when a large force is applied, the strain sensor is attenuated to a force that does not break, but when a small force is applied, the force is transmitted to the strain sensor without being attenuated as much as possible. desirable. In order to realize such a configuration, for example, the deformable member may have a two-phase structure. That is, for the contact surface with the object, a member having a relatively high rigidity and a high elastic modulus may be used, and a member having a low rigidity and a low rigidity may be used only around the strain sensor. In that case, if a member with a low modulus of elasticity is provided around all the strain sensors so as to have a constant thickness, the shear force can be accurately detected regardless of the distance between the contact point with the object and the strain sensor. It becomes possible to do.

<単一のセンサユニットによるモーメントの検出>
センサアレイに接続された制御ユニット(不図示)は、図3に示すセンサユニット301に含まれる複数の歪センサからの検出値により、センサ表面に加えられる剪断力、モーメント、及び圧縮応力を検出することができる。具体的には以下のように検出する。
<Moment detection by a single sensor unit>
A control unit (not shown) connected to the sensor array detects shearing force, moment, and compressive stress applied to the sensor surface based on detection values from a plurality of strain sensors included in the sensor unit 301 shown in FIG. be able to. Specifically, the detection is performed as follows.

まず、歪センサ302〜306が検出した歪みの変化量を、それぞれΔε1、Δε2、Δε3、Δε4、Δε5とおく。このとき、図中x方向の剪断力が加えられた場合、歪センサ303、305が変形する。これらの歪センサ303、305は、歪みゲージを貼られた面の向きが逆になっているため、2つの歪みの差分を求めることにより、剪断力を計測できる。すなわち、x方向の剪断力に対応する歪みΔεxは、
Δεx=(Δε2−Δε4)/2
となる。
First, the amount of change in strain detected by the strain sensors 302 to 306 is set to Δε1, Δε2, Δε3, Δε4, and Δε5, respectively. At this time, when a shearing force in the x direction in the drawing is applied, the strain sensors 303 and 305 are deformed. Since these strain sensors 303 and 305 have opposite directions of the surface on which the strain gauge is attached, the shear force can be measured by obtaining the difference between the two strains. That is, the strain Δεx corresponding to the shear force in the x direction is
Δεx = (Δε2−Δε4) / 2
It becomes.

同様にして、y方向の剪断力に対応する歪みΔεyは、
Δεy=(Δε1−Δε3)/2
となる。
Similarly, the strain Δεy corresponding to the shear force in the y direction is
Δεy = (Δε1-Δε3) / 2
It becomes.

また、z方向の圧縮力(物体を把持する際の把持力)に対応する歪みΔεzは、
Δεz=Δε5
となる。
Further, the distortion Δεz corresponding to the compressive force in the z direction (gripping force when gripping an object) is
Δεz = Δε5
It becomes.

一方、モーメントが加えられた場合、歪センサ302〜305の全てが、円周方向同じ向きに変形する。また、歪センサ306に変化は生じない。従って、モーメントに対応する歪みΔεmは、
Δεm=(Δε1+Δε2+Δε3+Δε4)/4
となる。
On the other hand, when a moment is applied, all of the strain sensors 302 to 305 are deformed in the same direction in the circumferential direction. Further, no change occurs in the strain sensor 306. Therefore, the strain Δεm corresponding to the moment is
Δεm = (Δε1 + Δε2 + Δε3 + Δε4) / 4
It becomes.

各歪センサに発生する歪みから、加えられる剪断力やモーメントを容易に導くことができる。例えば、梁が長さL[m]、幅b[m]、厚さh[m]の薄板であって、歪みゲージの中心が先端からl[m]だけ離れた位置に貼付されるとすると、梁の先端に加わる剪断力F[N]と歪みゲージに発生する歪みεとの関係は、
ε=6lF/Ebh2で表わされる。
ここで、Eは梁の材質のヤング率[Pa]である。
The applied shearing force and moment can be easily derived from the strain generated in each strain sensor. For example, if the beam is a thin plate having a length L [m], a width b [m], and a thickness h [m], the center of the strain gauge is pasted at a position l [m] away from the tip. The relationship between the shear force F [N] applied to the beam tip and the strain ε generated in the strain gauge is
ε = 6 lF / Ebh 2
Here, E is the Young's modulus [Pa] of the beam material.

このような式とセンサによる検出値を用いれば、センサユニットに加えられる剪断力、モーメント及び圧縮力をそれぞれ分離して検出できる。   By using such a formula and the detection value by the sensor, the shearing force, moment and compression force applied to the sensor unit can be detected separately.

本発明者らは、ヤング率850[kPa]のPDMSを変形部材として用いた20[mm]×20[mm]のセンサユニットに、8[mm]の長さの平板型カンチレバーを図3のように配置したものを実際に製作し、剪断力、モーメント及び把持力に対する特性について調べた。さらに、これらの特性をもとに、センサユニットで物体を把持し、センサユニットの角度を変化させた際のセンサユニットの応答について調べた。   The present inventors have provided a flat cantilever of 8 [mm] length as shown in FIG. 3 to a 20 [mm] × 20 [mm] sensor unit using PDMS having a Young's modulus of 850 [kPa] as a deformable member. Were actually manufactured, and the characteristics with respect to shearing force, moment and gripping force were investigated. Furthermore, based on these characteristics, the response of the sensor unit when the object was gripped by the sensor unit and the angle of the sensor unit was changed was investigated.

センサユニットの表面にかかるy方向の剪断力のみを変化させた場合、y方向の剪断力に対応する歪みのみ大きく変化し、変化率は4.8×10-5 [N-1]となった。また、y方向の剪断力の分解能は、1×10-1[N]となった。それに対し、x方向の剪断力、モーメント、把持力に関しては変化がほとんど見られなかった。これより、y方向の剪断力のみ分離して検出できることが確認された(図4参照)。 When only the y-direction shear force applied to the surface of the sensor unit was changed, only the strain corresponding to the y-direction shear force changed greatly, and the rate of change was 4.8 × 10 -5 [N -1 ]. . The resolution of the shear force in the y direction was 1 × 10 −1 [N]. On the other hand, almost no change was observed in the shearing force, moment, and gripping force in the x direction. From this, it was confirmed that only the shearing force in the y direction can be detected separately (see FIG. 4).

一方、把持した物体の重心位置を水平方向に移動させセンサユニットの表面にかかるモーメントのみを変化させた場合、負荷されるモーメントに対し、モーメントに対応する歪みのみ大きく変化し、変化率は5.6×10-3 [(Nm)-1]となった。また、モーメントの分解能は1×10-3[Nm]となった。それに対し、剪断力、把持力に関しては変化がほとんど見られなかった。これより、モーメントのみ分離して検出できることが確認された(図5参照)。 On the other hand, when only the moment applied to the surface of the sensor unit is changed by moving the position of the center of gravity of the gripped object in the horizontal direction, only the distortion corresponding to the moment changes greatly with respect to the applied moment, and the rate of change is 5. It became 6 × 10 -3 [(Nm) -1 ]. The moment resolution was 1 × 10 -3 [Nm]. On the other hand, there was almost no change in shearing force and gripping force. This confirmed that only the moment could be detected separately (see FIG. 5).

センサユニットの表面にかかる把持力のみを変化させた場合、負荷する把持力に対し、把持力に対応する歪みのみ大きく変化し、変化率は2.6×10-5 [N-1]であった。それに対し、剪断力、モーメントに関しては変化がほとんど見られなかった。これより、把持力のみ分離して検出できることが確認された(図6参照)。 When only the gripping force applied to the surface of the sensor unit is changed, only the strain corresponding to the gripping force changes greatly with respect to the applied gripping force, and the rate of change is 2.6 × 10 -5 [N -1 ]. It was. On the other hand, there was almost no change in shearing force and moment. From this, it was confirmed that only the gripping force can be detected separately (see FIG. 6).

更に、センサユニットで物体を把持した状態で、センサユニットの傾きを変化させ、センサの応答を調べた。センサユニットの検出する剪断力は、実際に負荷されている力をx方向の剪断力、y方向の剪断力に成分分解したものに等しくなった。また、モーメント及び把持力に関しては変化がほとんど見られなかった。これより、センサユニットの角度が変化しても、検出されたx方向及びy方向の剪断力の合成から、実際に負荷されている剪断力を求めることができることが確認された。   Furthermore, while the object was gripped by the sensor unit, the tilt of the sensor unit was changed and the response of the sensor was examined. The shearing force detected by the sensor unit was equal to the component of the actually applied force divided into the shearing force in the x direction and the shearing force in the y direction. Moreover, there was almost no change in the moment and gripping force. From this, it was confirmed that even when the angle of the sensor unit is changed, the actually applied shear force can be obtained from the combination of the detected shear forces in the x and y directions.

<単一のセンサユニットによる物体重心位置の算出>
下方向の剪断力の総和が物体の重量wなので、重量wとモーメントMとが分かれば、把持している点から重心までの水平方向の距離を、d=M/wで求めることができる。つまり、把持している点から水平距離に距離の位置にある直線上に重心がある。そこで物体を把持したままで、把持するセンサアレイ(ハンド)の角度を水平方向に対して変化させ、2回、把持した点から重心までの水平方向の距離を検出する。これから求まる2本の直線の交点が重心である。
<Calculation of the object center of gravity by a single sensor unit>
Since the sum of the downward shearing forces is the weight w of the object, if the weight w and the moment M are known, the horizontal distance from the gripping point to the center of gravity can be obtained by d = M / w. In other words, the center of gravity is located on a straight line located at a distance from the gripping point to the horizontal distance. Therefore, while holding the object, the angle of the sensor array (hand) to be gripped is changed with respect to the horizontal direction, and the distance in the horizontal direction from the gripped point to the center of gravity is detected twice. The intersection of the two straight lines obtained from this is the center of gravity.

センサアレイに接続された制御ユニット(不図示)は、単一のセンサユニットが検出した各歪センサの歪みから、モーメントを求め、更に、物体の重心位置を算出する算出手段として機能する。このように単一のセンサユニットの検出値からモーメントを求めるためには、センサユニットが、変形軸が互いに平行でかつ変形軸が異なる2つの歪センサを含んでいればよい。そして、互いに平行な変形軸を持つ2つの歪センサからの出力に基づいて、センサユニットに加えられたモーメントを算出する算出手段として制御ユニットが機能すればよい。   A control unit (not shown) connected to the sensor array functions as a calculation means for obtaining a moment from the strain of each strain sensor detected by a single sensor unit and further calculating the center of gravity of the object. In this way, in order to obtain the moment from the detection value of the single sensor unit, the sensor unit only needs to include two strain sensors having different deformation axes and different deformation axes. And a control unit should just function as a calculation means which calculates the moment added to the sensor unit based on the output from two strain sensors which have a mutually parallel deformation axis.

更に、単一のセンサユニットの検出値から物体の重心位置を求めるには、センサユニットが、変形軸が異なりかつ1点で交わらない3つの歪センサを含めばよい。例えば、互いに平行な変形軸を持つ2つの歪センサと、該2つの歪センサとは異なる方向の変形軸を持つ1つの歪センサとを含んでいればよい。3つの歪センサの出力に基づいて、センサユニットに加えられた2軸方向の剪断力とモーメントを算出する算出手段として制御ユニットが機能すればよい。特に制御ユニットは、算出した剪断力とモーメントを用いて、センサユニットに接触している物体の重心位置を算出することが望ましい。   Further, in order to obtain the position of the center of gravity of an object from the detection value of a single sensor unit, the sensor unit may include three strain sensors having different deformation axes and not intersecting at one point. For example, it is only necessary to include two strain sensors having deformation axes parallel to each other and one strain sensor having a deformation axis in a direction different from the two strain sensors. The control unit may function as calculation means for calculating the biaxial shear force and moment applied to the sensor unit based on the outputs of the three strain sensors. In particular, it is desirable that the control unit calculates the position of the center of gravity of the object in contact with the sensor unit using the calculated shearing force and moment.

ただし、図3に示すように、4枚の歪センサを剪断力センサとして設ければ、剪断力とモーメントを分離して計算することが容易になるため、計算量が少なくなるという利点がある。   However, as shown in FIG. 3, if four strain sensors are provided as shear force sensors, it is easy to separately calculate the shear force and the moment, so that there is an advantage that the calculation amount is reduced.

本発明者らは、試作したセンサユニットをロボットハンドに装着し、1つのみのセンサユニットが物体に触れる状態で物体を把持して重心位置の検出を行った(図7)。ロボットハンドに装着したセンサユニットで物体を把持した状態で、角度を変えて2回検出し、その値から重心位置を求めた。この際、重心検出の対象として密度が均一で80g、120g、200gの3種類の物体を把持させた。この物体の把持位置を、重心を中心として水平方向、鉛直方向にそれぞれ、5mmごとに0mmから15mmまで変化させ、計16箇所の把持位置で重心検出を行った。以上の実験の結果、80gの場合は、検出された重心位置と実際の重心位置の誤差は2.5mm以内、120gの場合は、2.0mm以内、200gの場合は1.6mm以内の誤差となった。   The inventors mounted the prototype sensor unit on the robot hand, and detected the center of gravity by gripping the object with only one sensor unit touching the object (FIG. 7). While the object was gripped by the sensor unit attached to the robot hand, detection was performed twice at different angles, and the position of the center of gravity was obtained from the value. At this time, three types of objects having a uniform density of 80 g, 120 g, and 200 g were gripped as targets of gravity center detection. The gripping position of this object was changed from 0 mm to 15 mm every 5 mm in the horizontal and vertical directions around the center of gravity, and the center of gravity was detected at a total of 16 gripping positions. As a result of the above experiments, in the case of 80 g, the error between the detected center of gravity position and the actual center of gravity position is within 2.5 mm, in the case of 120 g, within 2.0 mm, and in the case of 200 g, within 1.6 mm.

<複数のセンサユニットによるモーメント及び物体重心位置の検出>
センサアレイを用いて物体を把持する場合、複数のセンサユニットが物体に接触することが多い。その場合、上述のように単一のセンサユニットが物体に接触する場合と異なり、モーメントの中心を求めることが必要となる。
<Detection of moment and object center of gravity position by multiple sensor units>
When gripping an object using a sensor array, a plurality of sensor units often come into contact with the object. In this case, unlike the case where a single sensor unit contacts an object as described above, it is necessary to determine the center of the moment.

そこで、各センサの中心の座標を各把持力で加重平均した座標(xgrip, ygrip)をモーメントの中心として重心検出を行う。   Therefore, the center of gravity is detected using the coordinates (xgrip, ygrip) obtained by weighted averaging the coordinates of the center of each sensor with each gripping force.

図8に示すように、マトリクスセンサの中心を原点とし、水平方向をx軸、鉛直方向をy軸とすると、座標(xi,yi)に存在する各センサユニットi(ここではi=1〜9)が検出した把持力wiに対して、
(xgrip, ygrip)=(Σ(wi・xi)/Σwi, Σ(wi・yi)/Σwi,)
としてモーメント中心(xgrip, ygrip)を求める。
As shown in FIG. 8, when the center of the matrix sensor is the origin, the horizontal direction is the x-axis, and the vertical direction is the y-axis, each sensor unit i existing at the coordinates (xi, yi) (where i = 1 to 9). For the gripping force wi detected by
(Xgrip, ygrip) = (Σ (wi · xi) / Σwi, Σ (wi · yi) / Σwi,)
To obtain the moment center (xgrip, ygrip).

各センサで検出されるx方向剪断力Fx,i及びy方向剪断力Fy,iと、各センサからモーメント中心(xgrip, ygrip)までのx軸方向の距離dx,i及びy軸方向の距離dy,iとに基づき、この点に及ぼすモーメントを計算し総和をとることにより、把持の中心周りのモーメントMが以下のように求まる。
M = Σ(Fx,i・dx,i + Fy,i・dy,i)
The x-direction shear force Fx, i and the y-direction shear force Fy, i detected by each sensor, and the x-axis direction distance dx, i and the y-axis direction distance dy from each sensor to the moment center (xgrip, ygrip) , i and the moment acting on this point is calculated and summed to obtain the moment M around the center of the grip as follows.
M = Σ (Fx, i · dx, i + Fy, i · dy, i)

以上より、重心のx座標Xは、以下のように定まる。
X=xgrip + M/Fy
なお、Fyは、各センサで検出されるy方向剪断力Fy,iの総和ΣFy,iであり、物体の重量wに等しい。
From the above, the x-coordinate X of the center of gravity is determined as follows.
X = xgrip + M / Fy
Note that Fy is the total sum ΣFy, i of the y-direction shearing force Fy, i detected by each sensor, and is equal to the weight w of the object.

重心のx座標が求まれば、物体を把持したままで、把持するセンサアレイ(ハンド)の角度を水平方向に対して変化させ、2回、把持した点から重心までの水平方向の距離を検出する。これから求まる2本の直線の交点が重心である。   Once the x-coordinate of the center of gravity is obtained, the angle of the sensor array (hand) to be gripped is changed relative to the horizontal direction while holding the object, and the horizontal distance from the point of gripping to the center of gravity is detected twice. To do. The intersection of the two straight lines obtained from this is the center of gravity.

センサアレイを用いて2つ以上のセンサユニットで物体と接触しつつ、物体を把持する場合、個々のセンサユニットには、少なくとも2軸の剪断力を検出できるようにカンチレバーを配置すれば、それら2つのセンサユニットから検出された2軸の剪断力、つまり合計4つの剪断力を用いて、物体の重心位置を求めることができる。   When gripping an object while contacting the object with two or more sensor units using the sensor array, if each sensor unit is provided with a cantilever so as to detect a shear force of at least two axes, those 2 The center-of-gravity position of the object can be obtained using biaxial shearing forces detected from the two sensor units, that is, a total of four shearing forces.

なお、多くの場合、把持した物体の形状の中心は重心位置に近い。従って、多点で把持した場合の圧力中心は、形状中心に近いので、その圧力中心を用いて計算を行なうと重心位置算出時の誤差を少なくすることができる。   In many cases, the center of the shape of the grasped object is close to the position of the center of gravity. Accordingly, since the pressure center when gripping at multiple points is close to the shape center, if calculation is performed using the pressure center, an error in calculating the gravity center position can be reduced.

本発明者らは、図9に示すように、センサユニットを3×3に配置したマトリクスセンサをリニアアクチュエータに装着して物体を把持し、重心までの水平距離を算出する実験を行なった。重心までの水平方向を検出する際、物体の重量は1.5kgとし、物体の把持する位置を50mmずつ変化させた。その結果、10mmの誤差で物体の重心を検出できることが確認できた。   As shown in FIG. 9, the present inventors conducted an experiment in which a matrix sensor having sensor units arranged in 3 × 3 is attached to a linear actuator to hold an object and calculate a horizontal distance to the center of gravity. When detecting the horizontal direction to the center of gravity, the weight of the object was 1.5 kg, and the position where the object was held was changed by 50 mm. As a result, it was confirmed that the center of gravity of the object can be detected with an error of 10 mm.

本実施形態によれば、複数のセンサユニットを配置することにより、複雑な形状をした物体に対しても剪断力、モーメント、圧力が測定可能となる。また、従来の剪断力検出センサに比べ、カンチレバーの配置の仕方が特徴的であり、また構造が単純である。このセンサを用いると剪断力、モーメント、圧力を簡単な処理で算出することが可能である。また、構造が単純なため、集積化が容易である。   According to the present embodiment, by arranging a plurality of sensor units, it is possible to measure shear force, moment, and pressure even for an object having a complicated shape. Further, compared to conventional shear force detection sensors, the arrangement of cantilevers is characteristic and the structure is simple. If this sensor is used, it is possible to calculate the shearing force, moment, and pressure by a simple process. Further, since the structure is simple, integration is easy.

複数のセンサユニットが同時に接触した状態で把持する場合、効率的に物体の重心を算出でき、かつ、物体に対して、単一のセンサユニットのみが接触した場合でも、センサの圧力情報から接触状態を判断し、剪断力やモーメントを算出することができる。   When gripping with multiple sensor units in contact with each other at the same time, the center of gravity of the object can be calculated efficiently, and even if only a single sensor unit is in contact with the object, the contact state is determined from the sensor pressure information. The shearing force and moment can be calculated.

本発明の実施形態に係るセンサアレイを適用可能なロボットを示す図である。It is a figure which shows the robot which can apply the sensor array which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るセンサアレイの概略形状を示す図である。It is a figure showing a schematic shape of a sensor array concerning an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係るセンサアレイに含まれるセンサユニットの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the sensor unit contained in the sensor array which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るセンサユニットの性能を示す図である。It is a figure which shows the performance of the sensor unit which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るセンサユニットの性能を示す図である。It is a figure which shows the performance of the sensor unit which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るセンサユニットの性能を示す図である。It is a figure which shows the performance of the sensor unit which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る単一のセンサユニットによる重心位置検出方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the gravity center position detection method by the single sensor unit which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るセンサアレイによる重心位置検出方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the gravity center position detection method by the sensor array which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るセンサアレイによる重心位置検出方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the gravity center position detection method by the sensor array which concerns on embodiment of this invention.

Claims (11)

複数の剪断力検出ユニットを同一面上に配置した剪断力検出装置であって、
前記剪断力検出ユニットは、それぞれ、
物体から剪断力を受けて変形する変形部材と、
該変形部材の内部において、前記物体からの剪断力を受けて歪むように設けられた片持ち梁形状の歪センサと、
を備えることを特徴とする剪断力検出装置。
A shear force detection device in which a plurality of shear force detection units are arranged on the same surface,
Each of the shear force detection units is
A deformable member that is deformed by receiving a shearing force from an object;
Inside the deformable member, a cantilever-shaped strain sensor provided so as to be distorted by receiving a shearing force from the object;
A shearing force detection device comprising:
前記歪センサは、単一の変形軸に沿って変形することによって、該変形軸方向の剪断力を検知する構造を有し、
前記剪断力検出ユニットは、それぞれ、変形軸が互いに平行でない少なくとも2つの前記歪センサを含むことを特徴とする請求項1に記載の剪断力検出装置。
The strain sensor has a structure for detecting a shear force in the direction of the deformation axis by being deformed along a single deformation axis.
The shear force detection device according to claim 1, wherein each of the shear force detection units includes at least two strain sensors whose deformation axes are not parallel to each other.
少なくとも2つの前記剪断力検出ユニットが検出した剪断力から、前記物体の重心位置を算出する算出手段をさらに備えたことを特徴とする請求項2に記載の剪断力検出装置。   The shearing force detection device according to claim 2, further comprising a calculation unit that calculates the position of the center of gravity of the object from the shearing force detected by at least two of the shearing force detection units. 前記剪断力検出ユニットは、変形軸が互いに平行でかつ変形軸が異なる2つの前記歪センサを含み、
該2つの歪センサからの出力に基づいて、前記剪断力検出ユニットに加えられたモーメントを算出する算出手段を更に備えたことを特徴とする請求項2に記載の剪断力検出装置。
The shear force detection unit includes the two strain sensors whose deformation axes are parallel to each other and whose deformation axes are different from each other,
The shear force detection device according to claim 2, further comprising a calculation unit that calculates a moment applied to the shear force detection unit based on outputs from the two strain sensors.
前記剪断力検出ユニットは、変形軸が異なりかつ1点で交わらない3つの歪センサを含み、
前記3つの歪センサの出力に基づいて、前記剪断力検出ユニットに加えられた2軸方向の剪断力とモーメントを算出し、算出した剪断力とモーメントを用いて、前記剪断力検出ユニットに接触している物体の重心位置を算出する算出手段を更に備えたことを特徴とする請求項2に記載の剪断力検出装置。
The shear force detection unit includes three strain sensors having different deformation axes and not intersecting at one point,
Based on the outputs of the three strain sensors, a biaxial shear force and moment applied to the shear force detection unit are calculated, and the calculated shear force and moment are used to contact the shear force detection unit. The shearing force detection apparatus according to claim 2, further comprising a calculation unit that calculates the position of the center of gravity of the moving object.
物体が少なくとも2つの前記剪断力検出ユニットに接触している場合、該少なくとも2つの剪断力検出ユニットが検出した剪断力を用いて、前記物体の重心位置を算出する算出手段を更に備えたことを特徴とする請求項1に記載の剪断力検出装置。   When an object is in contact with at least two of the shearing force detection units, the apparatus further comprises a calculation means for calculating the position of the center of gravity of the object using the shearing force detected by the at least two shearing force detection units. The shear force detection device according to claim 1, wherein 前記剪断力検出ユニットにおける物体との接触面が凸状に湾曲していることを特徴とする請求項1に記載の剪断力検出装置。   The shear force detection device according to claim 1, wherein a contact surface with the object in the shear force detection unit is curved in a convex shape. 前記剪断力検出ユニットは、前記物体からの圧力を検出する圧力センサを更に有することを特徴とする請求項1に記載の剪断力検出装置。   The shear force detection device according to claim 1, wherein the shear force detection unit further includes a pressure sensor that detects a pressure from the object. 請求項1乃至8の何れか1項に記載の剪断力検出装置を、物体を把持するハンドの把持面上に備えた物体把持システムであって、
前記変形部材は、前記把持面に沿った剪断力を前記物体から受けて変形し、
前記歪センサは、前記変形部材の内部において、前記剪断力を受けて歪むことを特徴とする物体把持システム。
An object gripping system comprising the shear force detection device according to any one of claims 1 to 8 on a gripping surface of a hand gripping an object,
The deformable member is deformed by receiving a shearing force along the gripping surface from the object,
The object gripping system, wherein the strain sensor is distorted by receiving the shearing force inside the deformable member.
前記把持面において、複数の前記剪断力検出ユニットを互いに離間させて配置したことを特徴とする請求項9に記載の物体把持システム。   The object gripping system according to claim 9, wherein a plurality of the shearing force detection units are arranged apart from each other on the gripping surface. 前記剪断力検出装置は、物体を把持するハンドの2つの把持面のうち、何れか一方に設けられることを特徴とする請求項9に記載の物体把持システム。   The object gripping system according to claim 9, wherein the shearing force detection device is provided on any one of two gripping surfaces of a hand gripping an object.
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Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011045837A1 (en) 2009-10-14 2011-04-21 国立大学法人東北大学 Sheet-like tactile sensor system
US8336399B2 (en) 2009-10-14 2012-12-25 Tohoku University Sensor system
WO2013042680A1 (en) * 2011-09-22 2013-03-28 国立大学法人東京大学 Tactile sensor and multi-axial tactile sensor
JP2013211365A (en) * 2012-03-30 2013-10-10 Tohoku Univ Integrated device
JP2014134543A (en) * 2013-01-11 2014-07-24 Univ Of Tokyo Sensor element, pressure-sensitive sensor, and tactile sensor
KR20180016795A (en) * 2016-08-08 2018-02-20 한국기계연구원 Tactile Sensor for Shear force
WO2019012736A1 (en) * 2017-07-12 2019-01-17 株式会社日立製作所 Slippage detection system
WO2020110181A1 (en) * 2018-11-26 2020-06-04 国立大学法人東京大学 Multi-axis tactile sensor
EP3981558A4 (en) * 2019-06-05 2022-07-06 Sony Group Corporation Control device, control method, and program
WO2023243330A1 (en) 2022-06-16 2023-12-21 Nissha株式会社 Shear force sensor sheet
KR20240017779A (en) 2021-05-31 2024-02-08 닛샤 가부시키가이샤 A finger with a tactile sensor on a robot hand and a robot hand with a tactile sensor using it

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5470533B2 (en) * 2010-02-18 2014-04-16 株式会社国際電気通信基礎技術研究所 Tactile sensor and robot equipped with the same
EP3864308B1 (en) * 2018-10-08 2022-01-26 SMS Group GmbH Device and method for determining the location and/or position of a roller in a roller frame
CN114323393B (en) * 2021-12-28 2023-12-01 复旦大学 Calculation method of shearing distribution force in two-body contact interface

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH065207B2 (en) * 1988-12-12 1994-01-19 工業技術院長 Hardness identification method for gripped objects
JP2728569B2 (en) * 1991-02-22 1998-03-18 株式会社富士電機総合研究所 Distributed tactile sensor
EP1365221A1 (en) * 2002-05-24 2003-11-26 Société de Technologie Michelin Three-axis sensor assembly for use in an elastomeric material
JP2006208248A (en) * 2005-01-28 2006-08-10 Univ Of Tokyo Tactile sensor and its manufacturing method
JP2006275979A (en) * 2005-03-30 2006-10-12 National Institute Of Information & Communication Technology Sensor element, sensor device, device for controlling movement of object, and device for discriminating object
JP2008026178A (en) * 2006-07-21 2008-02-07 Advanced Telecommunication Research Institute International Tactile sensor device

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6034295A (en) * 1983-08-03 1985-02-21 株式会社日立製作所 Sensor for cutaneous sensation

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH065207B2 (en) * 1988-12-12 1994-01-19 工業技術院長 Hardness identification method for gripped objects
JP2728569B2 (en) * 1991-02-22 1998-03-18 株式会社富士電機総合研究所 Distributed tactile sensor
EP1365221A1 (en) * 2002-05-24 2003-11-26 Société de Technologie Michelin Three-axis sensor assembly for use in an elastomeric material
JP2006208248A (en) * 2005-01-28 2006-08-10 Univ Of Tokyo Tactile sensor and its manufacturing method
JP2006275979A (en) * 2005-03-30 2006-10-12 National Institute Of Information & Communication Technology Sensor element, sensor device, device for controlling movement of object, and device for discriminating object
JP2008026178A (en) * 2006-07-21 2008-02-07 Advanced Telecommunication Research Institute International Tactile sensor device

Cited By (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011045837A1 (en) 2009-10-14 2011-04-21 国立大学法人東北大学 Sheet-like tactile sensor system
US8336399B2 (en) 2009-10-14 2012-12-25 Tohoku University Sensor system
US8613231B2 (en) 2009-10-14 2013-12-24 Tohoku University Sheet-like tactile sensor system
JP5417454B2 (en) * 2009-10-14 2014-02-12 国立大学法人東北大学 Sheet-like tactile sensor system
WO2013042680A1 (en) * 2011-09-22 2013-03-28 国立大学法人東京大学 Tactile sensor and multi-axial tactile sensor
JP2013068503A (en) * 2011-09-22 2013-04-18 Univ Of Tokyo Tactile sensor and multi-axial tactile sensor
US9310265B2 (en) 2011-09-22 2016-04-12 The University Of Tokyo Tactile sensor and multi-axial tactile sensor
JP2013211365A (en) * 2012-03-30 2013-10-10 Tohoku Univ Integrated device
US9478503B2 (en) 2012-03-30 2016-10-25 Tohoku University Integrated device
JP2014134543A (en) * 2013-01-11 2014-07-24 Univ Of Tokyo Sensor element, pressure-sensitive sensor, and tactile sensor
KR20180016795A (en) * 2016-08-08 2018-02-20 한국기계연구원 Tactile Sensor for Shear force
KR101879811B1 (en) * 2016-08-08 2018-07-19 한국기계연구원 Tactile Sensor for Shear force and Making Method of the Same and System of Tactile Sensor
WO2019012736A1 (en) * 2017-07-12 2019-01-17 株式会社日立製作所 Slippage detection system
JP2019018253A (en) * 2017-07-12 2019-02-07 株式会社日立製作所 Slip detection system
WO2020110181A1 (en) * 2018-11-26 2020-06-04 国立大学法人東京大学 Multi-axis tactile sensor
CN113167668A (en) * 2018-11-26 2021-07-23 国立大学法人东京大学 Multi-axis tactile sensor
JPWO2020110181A1 (en) * 2018-11-26 2021-09-27 国立大学法人 東京大学 Multi-axis tactile sensor
JP2022191485A (en) * 2018-11-26 2022-12-27 国立大学法人 東京大学 Multi-axis tactile sensor
US11761837B2 (en) 2018-11-26 2023-09-19 The University Of Tokyo Multi-axial tactile sensor
JP7396731B2 (en) 2018-11-26 2023-12-12 国立大学法人 東京大学 Multi-axis tactile sensor
CN113167668B (en) * 2018-11-26 2023-12-26 国立大学法人东京大学 multi-axis tactile sensor
EP3981558A4 (en) * 2019-06-05 2022-07-06 Sony Group Corporation Control device, control method, and program
KR20240017779A (en) 2021-05-31 2024-02-08 닛샤 가부시키가이샤 A finger with a tactile sensor on a robot hand and a robot hand with a tactile sensor using it
DE112022002862T5 (en) 2021-05-31 2024-03-14 Nissha Co., Ltd. Tactile sensor-bound finger for robot hand, and robot hand with tactile sensor-bound fingers
WO2023243330A1 (en) 2022-06-16 2023-12-21 Nissha株式会社 Shear force sensor sheet

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WO2008139979A1 (en) 2008-11-20

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